聚乙烯醇基防雾锅盖涂料的开发与应用

杨从浩 肖成博 朱光宇

摘 要：由于温差导致的光学玻璃、光学塑料等光学透明材料表面起雾给人们的工作和日常生活带来了极大的不便。在光学材料基体表面涂覆防雾涂料是改善基体防雾性能的主要方法之一。聚乙烯醇在防雾涂料领域具有重要的应用，但是聚乙烯醇的水溶性以及与基体材料的弱粘接性和弱粘附力严重限制了其应用。为解决这一问题，文章提出了聚乙烯醇防雾涂料的开发与应用策略，列举并阐述了硅酸盐、氧化铝、二氧化硅这三种填料的特点，梳理了以多种填料单组分、多组分配比的设计方案，简化了聚乙烯醇基防雾涂料的开发方式，节约了成本。

关键词：防雾涂料;聚乙烯醇;二氧化硅;硅酸盐

0 引言

光学玻璃、光学塑料等光学透明材料，如眼镜片、玻璃窗户、炒锅锅盖、汽车玻璃等，已被广泛应用于各种生活场景和工业场景中。然而，此类产品在使用过程中常常伴随一个比较严重的问题，在高温、高湿或者在環境温差较大的情况下使用下时，水汽容易聚集在材料表面并以微小水珠的形式析出，从而在基材表面形成一层水雾，导致光学材料的透光率显著降低，严重影响使用者的视线，给人们的工作和日常生活带来了极大的不便。因此探究此类光学材料的防雾性能具有重要意义。

目前，光学材料表面除雾主要可以采取以下两个手段。（1）通过加热元件、发热元件来快速消除基材与环境的温差来防止结雾的产生或去除水雾，但是该方法过于繁琐难以规模化应用。（2）在光学材料表面涂覆防雾涂料，改变材料表面的润湿性，从而调控冷凝液在材料表面的形态，以此降低水雾对基体透光率的影响。由于该方法较为简单，目前的研究主要围绕防雾涂料的开发与应用展开。

防雾涂料的研究首先始于防雾剂的研究。通常防雾剂就是表面活性剂，将其喷涂在光学材料表面可以有效降低基材的表面张力，从而降低水在基材表面的润湿角，使水能在基材表面均匀铺展成水膜而达到防雾的目的。但是防雾剂基本都是由小分子物质组成，成膜效果不佳，不耐擦拭也不耐溶剂，使用一段时间后防雾剂会随着水分的挥发而流失，导致光学材料失去防雾效果。为了解决防雾剂在使用过程中的这些不足之处，具有成膜物的涂层的出现使得涂膜涂料在防雾领域得到了迅速发展。涂膜涂料经固化成膜后可大大增强涂层的机械性能，为持续防雾提供了有利保障。而随着高分子科学的发展，以高聚物为成膜物质的高分子涂层，逐渐发展成防雾涂料的主流产品。

聚乙烯醇（PVA）是一种亲水性高分子材料，分子链上含有大量的羟基，经调控后羟基基团既可呈现出亲水性也可呈现出疏水性。亲水性PVA防雾涂层可使雾气在涂层表面平铺成水膜达到防雾效果，而疏水性PVA防雾涂层可使产生的雾气凝结成水珠从而实现防雾效果。并且PVA还具有良好的成膜性和耐溶剂性，目前是防雾涂层原料的首选材料之一。然而，PVA是由聚醋酸乙烯脂醇解和水解制备得到，其水溶性随着醇解度和水解度的不同而发生变化。在长时间的使用过程中由于水雾的不断形成，凝结的水雾珠和水膜会使水溶性的PVA涂层发生溶解。此外，以PVA作为防雾涂料时，与基体材料的粘接性和粘附力较弱，导致以纯PVA涂料的耐磨性和使用寿命不尽人意。以上因素严重限制了PVA在防雾涂料领域的发展。为解决这一问题，白景奇等利用海藻糖对PVA接枝改性，将其与乙二醇二甲基丙烯酸酯混合，制备得到了具有半互穿网络结构的PVA防雾防霜涂层，提高了PVA涂层的亲水性和防雾性能。Maechler等将乙烯-马来酸酐和PVA通过沉积、旋涂等方式制备了具有防雾性能的涂料，并以六甲基二硅氧烷为前驱体将有机硅沉积到基体碳酸酯材料表面，以此来增强涂料与基体之间的粘附性，该策略有效提高了基体材料的防雾性能。Wu等将PVA和亲水性SiO2采用溶液共混的方式制备了PVA防雾涂料，实现了透明基体的长期防雾性能和较高的透光率，并且具有较高的机械性能。

为了让PVA能够在防雾领域得到更广泛的应用，以解决光学材料起雾问题给人们带来的困扰，本文拟将多种不同的填料添加到PVA中，以降低PVA的水溶性，增强PVA与基体的粘结性，提高涂膜的耐化学、耐腐蚀性、热稳定性与耐水性等多种性能。并阐述了试验填料与方法对PVA防雾性能的影响，为简单化制备PVA防雾涂料的开发与应用提供了思路。

1 填料选择

1.1 硅酸盐

硅酸锂、硅酸钾是金属锂和钾与硅酸根形成的硅酸盐化合物，也称锂（钾）水玻璃。硅酸盐溶液中的水份挥发后将生成一种不溶于水的干膜，且具有不可逆性。将硅酸盐应用于防雾涂料中，利用硅酸盐的成膜特性，可提高防雾涂料的防水效果，这不仅可以有效降低PVA的水溶性带来的不利影响，同时还能提高防雾涂层的使用寿命。此外，硅酸盐具有优异的耐高温性能、耐酸碱性、耐候性、强度高硬度大，且无毒无污染，可为PVA提供耐高温防护性能。

2.2 氧化铝

氧化铝是铝的氧化物，无臭无味，质地极硬（莫氏硬度达到9），物理化学性质稳定。将氧化铝当作填料加入防雾涂料配方中时，由于氧化铝自身优异的耐高温性和耐热稳定性，以及氧化铝形成的三维网络结构，可显著提升防雾涂料的高温使用寿命。此外，当纳米级氧化铝均匀分散在涂覆涂料中时，制备的涂料并不会影响基体材料的透明度，这样也能为防雾涂料的应用提供有利保障。

2.3 二氧化硅

二氧化硅是由硅原子和氧原子长程有序排列形成晶态无机物。二氧化硅目前已经被成熟应用于橡胶、塑料、涂料等各大领域。二氧化硅的化学性质稳定，是一种坚硬、脆性、不溶的无色透明固体，具备满足制造光学仪器涂覆涂料的基本性能要求。但是二氧化硅在使用过程中常常以聚集体的形式存在，尤其是沉淀法制得的二氧化硅颗粒间的物理相互作用较强，容易在涂覆料中形成严重的团聚。而气相二氧化硅在反应炉内熔融黏结在一起，有特殊的“三维枝状”结构分散过后仍能保持稳定的结构，所以在此文中使用的填料为亲水型气相二氧化硅。

基于硅酸盐、氧化铝和二氧化硅的性能优势，本文以这三种填料作为PVA基涂覆料防雾性能的增强体，通过改变三种填料的配比，并设计单组分和多组分的不同方案，研究了填料对PVA基防雾涂料的光滑度、透明度和耐刮擦性的影响。

3 实验

3.1实验原料

聚乙烯醇（PVA），分子量1750±50，国药集团化学试剂有限公司。硅酸钾（K2SiO3），模数：3.3;波美度：40，青岛海湾集团有限公司。硅酸锂（K2SiO3），模数4.8，临沂市绿森化工有限公司。纳米氧化铝（Al2O3），ALUNA-100，比表面积（100±15 m2/g），粒径：13 nm，湖北汇富纳米材料股份有限公司。亲水型气相纳米二氧化硅，HL-300，比表面积（300±30 m2/g），粒径：7-40 nm，湖北汇富纳米材料股份有限公司。十二烷基苯磺酸钠（SDBS），分析纯，国药集团化学試剂有限公司。

3.2 试验方法

制备聚乙烯醇基防雾涂料的配方和方法如下：聚乙烯醇（PVA）5-30份，硅酸钾（K2SiO3）3～5份，硅酸锂（Li2SiO3）3～5份，氧化铝（Al2O3）1～3份，亲水气相纳米二氧化硅（SiO2）3～8份，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）1～3份，其余为水通常为50～70份。称取一定比例的PVA溶解在相应的水中，在100℃下冷凝搅拌2h得到PVA溶液基料，随后根据不同比例添加填料，随后在40℃温度下超声20 min，继续以120-150转/min速度搅拌2h得到涂料。使用方法为在0.3～0.5 MPa的空气压力下，雾化范围为80～120 mm，涂-4黏度计黏度为25-30 s，均匀的喷涂在基体表面待干燥后即可。

如涂料⑧的制备方法为：称取去离子水95g，PVA 5g在100℃下冷凝搅拌2h得到PVA（5%）溶液基料备用。随后称取11.3g去离子水、0.2g SDBS，搅拌至SDBS完全溶解，随后一边搅拌一边加入0.2g氧化铝，0.2g二氧化硅，缓慢加入1.5g K2SiO3、2.6g Li2SiO3、PVA（5%）溶液基料4g，搅拌20 min后在40℃温度下超声20 min，然后继续以120-150转/min速度搅拌2h得到涂料。

确定物料配比进行如下实验（如表1）：

通过实验可以观察到如图A、B、C所示现象：①有少量的悬浮物;②呈无色透明状;③有大量泡沫;④为无色透明泡沫;⑤涂料表面有胶状膜，且呈无色透明状伴随大量气泡;⑥有大量悬浮物且浑浊;⑦有少量悬浮物且浑浊;⑧浑浊且有少量悬浮物并出现沉降;⑨浑浊无沉降出现大量泡沫。

通过目测观察、手指触摸与小刀刻画的方法，从固体膜来看样品的透明度排列排序为：③>①>④>⑨>⑥>②>⑦>⑧>⑤

平整度的光滑度：③>④>①>⑥>②>⑨>⑤>⑦>⑧

划痕的深浅度（由深至浅）：⑧>⑦>⑤>⑨>⑥>②>③>④>①

通过实验发现，只需要在50份PVA与水的混合溶液中简单添加3份氧化铝，就可以得到透明度良好的涂膜均匀耐刮擦的防雾涂层，大大降低了实验难度和生产成本。

将制备的PVA基防雾涂料涂覆到透明锅盖表面，发现各组样品相比未涂覆的锅盖部分防雾效果都有提高，而透光度、透明度并未受到较大的影响，表明通过简单添加无机填料就可实现PVA基防雾涂料的良好防雾效果。本文列举出的填料为PVA防雾涂料的设计与制备提供了方案，且阐述了对于每种填料的使用方式和作用效果，为后续产品的开发与应用打下了坚实基础。

4 结语

以上，本文通过溶液共混法将不同无机填料混入PVA中，制备得到了PVA基防雾涂料。通过控制不同的填料的配比以增强PVA水溶液在基材上的粘结性，以及在复杂使用条件下的耐化学、腐蚀性、耐高温性等。该方法具有操作简单、成本低等优势。并且在实际的试验操作中发现，在PVA基防雾涂料的开发过程中，以不同的填料为方向可以选择性的提高涂料在各个方面的性能特点，该策略对拓展PVA在防雾涂层领域的应用有着重要意义。

参考文献：

[1]白景奇，白珊，任丽霞，朱孔营，赵蕴慧，李晓晖，袁晓燕.海藻糖改性聚乙烯醇及其防雾/防霜涂层[J].高等学校化学学报，2021， 42（08）： 2683-2688.

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